2013-05-23 LED in der Medizin und Kosmetik - fh-muenster.de · LED - Die ultimative Quelle...

LED in der Kosmetik und MedizinLED in der Kosmetik und Medizin

Thomas Jüstel

Institute for Optical TechnologiesMünster University of Applied SciencesMünster University of Applied Sciences

[email protected]/juestel

18 Symposium der DAfP18. Symposium der DAfPLüdenscheid

23./24. Mai 2013

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Germany Slide 1

LED - Die ultimative Quelle optischer StrahlungLED Die ultimative Quelle optischer Strahlung

Nick Holonyak, jr. (2000)Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die Leuchtstoff LED die ultimative

Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten


der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird, bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird.

InhaltInhalt

1. LED als Licht- und Strahlungsquelle

2. LED Konvertermaterialien2. LED Konvertermaterialien

3. Photochemische Aspekte

4. Optische Strahlung in Kosmetik + Medizin

5. LED Anwendungen in Kosmetik + Medizin

6. Zusammenfassung und Ausblick6. Zusammenfassung und Ausblick


1. LED als Licht- und StrahlungsquelleHistorische Entwicklung anorganischer LEDs

1. LED als Licht und Strahlungsquelle

1907 Erste Publikation zu LEDs

1955 IR LED auf GaAs Basis1955 IR LED auf GaAs Basis

1962 Erste LED auf Basis von rot-emittierendem GaAs

1971 Pankove: Blau-emittierende GaN LEDs Pioniere und Marktführer:1971 Pankove: Blau emittierende GaN LEDs

1986 Rot-emittierende HB (Al,In,Ga)P LEDs

1992 Nakamura: Kristallines (In,Ga)N

Pioniere und Marktführer:Bell Laboratories, GE, HP, IBM,

Monsanto, Nichia, Osram, Philips, RCA, Toyoda Gosei,

CREE1992 Nakamura: Kristallines (In,Ga)N

1993 Nakamura: Blaue LED mit 1 Cd

1995 Nakamura: Weiße LED durch YAG:Ce

CREE

2002 Lumileds Luxeon: 5 W LED mit 120 lm

2003 Nichia und CREE: Weiße LEDs mit 60 lm/W


2012 Nichia, Epistar, und CREE: Weiße LEDs mit mehr als 200 lm/W

1. LED als Licht- und Strahlungsquelle1. LED als Licht und Strahlungsquelle

Ni/A K h d

Anorganische Festkörper(-LED)

+ -Ni/Au p-Kathode

p-leitendes GaN

Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone)(Rekombinationszone)

n-leitendes GaN

Transparentes Substrat (Al2O3)

1 0

Lebens- Licht- Maximale0,6

0,8

1,0

rte In

tens

ität Konverterschicht

dauer ausbeute Leuchtdichtet [h] [lm/W] L [cd/m2]___> 30000 50 - 276! 10000000

0 0

0,2

0,4

Nor

mie

r


300 400 500 600 700 8000,0

Wellenlänge [nm]

1. LED als Licht- und Strahlungsquelle1. LED als Licht und StrahlungsquelleChemische Zusammensetzung(Al Ga)As(Al,Ga)As 770 – 870 nm NIR(Al I G )P 0 30

0,35

t

Typische LED-EL-Spektren

(Al,In,Ga)P 580 nm – 700 nm Gelb Orange Rot 0,20

0,25

0,30

sint

ensi

tät

(In,Ga)N 370 – 530 nm UV-A Blau Grün

0,10

0,15

Emis

sion

sUV A Blau Grün

450 nm: (In0,4Ga0,6)N(Al,Ga)N 210 370 nm

400 450 500 550 600 650 700 7500,00

0,05

W ll lä [ ] 210 – 370 nm UV-C UV-AElektrolumineszenz der Halbleiter liefert Emissionsbanden mit FWHM < 30 nm

Wellenlänge [nm]


Weißes Licht hoher Farbwiedergabe erfordert Konversionsleuchtstoffe

1. LED als Licht- und Strahlungsquelle(Al,Ga)N LEDs - Bandlückeneinstellung


PL Spektren von (Al,Ga)N HalbleiternBandlücken-Gitterkonstanten-Auftragung


1. LED als Licht- und Strahlungsquelle1. LED als Licht und StrahlungsquelleRot + Grüne + Blaue

LEDsBlaue LED + gelber

LeuchtstoffBlaue LED + grün-gelber

+ roter LeuchtstoffUV LED + RGB

LeuchtstoffmischungLEDs Leuchtstoff + roter Leuchtstoff Leuchtstoffmischung

Einstellbarer Farbpunkt Fixer Weißpunkt Fixer Weißpunkt Fixer Weißpunkt

Schlechte Farbwiedergabe

Höchste Effizienz

Gute Farbwiedergabe für hohe TC

Exzellente Stabilität

Sehr gute Farbwiedergabe

Gute Stabilität

Sehr gute Farbwiedergabe

Linienemitter anwendb.


Komplexe Ansteuerung Patentsituation Spektrale Interaktion Alterung durch UV

1. LED als Licht- und Strahlungsquelle1. LED als Licht und Strahlungsquelle

Leucht-stoff

< 1.0 lm 10 – 150 lm< 0.1 W 0.6 – 5 W

< 120 °C 120 200 °CPlastik-

linse

Kontakt

< 120 C 120 – 200 C< 100 W/cm2 100 – 200 W/cm2

> 120 K/W 2 – 12 K/W Golddraht

InGaN-Halbleiter

(In Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeKühlkörper (Cu)

(In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kalt-weiß

Gelb + Rot Warm-weißGrün Cyan


yRot Magenta

1. LED als Licht- und StrahlungsquelleStrahlungskonverter: Pulver oder Keramik?


Größere spektrale Variabilität Höhere WärmeleitfähigkeitGrößere Verfügbarkeit Höhere optische Weglänge

Blaue LED + YAG:CeLeuchtstoffpulver in Siliconharz

Blaue LED + YAG:CeKeramikkonverterp


1. LED als Licht- und StrahlungsquellePrimäreffektDer Lichtstrom nimmt mit der

Temperaturproblematik


Der Lichtstrom nimmt mit der Umgebungstemperatur ab (Al,In,Ga)P ~0.7% pro °C (Al,In,Ga)N ~ 0.1% pro °C

Sekundäreffekte• Farbpunktverschiebung• Die Lebensdauer der LED Lampen• Die Lebensdauer der LED-Lampen

bzw. des LED-Moduls verkürzt sich Gute thermische Leitfähigkeit

(di kt Kühl d / Üb )(direkte Kühlung des p/n-Übergangs) Effektive äußere Kühlung

(Kühlrippen, Luftkonvektion)


1. LED als Licht- und Strahlungsquelle1. LED als Licht und StrahlungsquelleEtablierte LED-Typen

ons-

t (a.

u.) dioden

Laser-

400nm425nm

LEDs

Emis

sio

nten

sita

et

425nm 450nm 465nm 480nm500nm

375 400 425 450 475 500 525 375 400 425 450 475 500 525 550

in

Wellenlaenge (nm)

500

„LED Plattform“: 465 nm LEDs Beleuchtung

Wellenlaenge (nm)

„Laserdioden Plattform“: 785 nm CD465 nm LEDs Beleuchtung

365 nm LEDs Schwarzlicht265 nm LEDs Desinfektion

785 nm CD655 nm DVD405 nm Blue ray DVD


y

2. Konvertermaterialien für LEDs2. Konvertermaterialien für LEDs1. Anorganische Leuchtstoffe

Mikroskalige Pigmente(C S B )Si N O E

Typische Konvertermaterialien(Ca,Sr,Ba)Si2N2O2:Eu(Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu(Ca,Sr)S:Eu( , )(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu(Ca,Sr)AlSiN3:Eu

Nanoskalige Pigmente(Y Gd Tb Lu)AG:Ce(Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce

Quantum DotsZn(S,Se)(In,Ga)P( , )

2. Organische Farbstoffe Polyzyklische aromatische Verbindungen

PerylenePeryleneCoumarine

MetallkomplexeLn3+-Komplexe Ln = Tm, Tb, Eu


pRu- und Ir-Komplexe

2. Konvertermaterialien für LEDsGranate

2. Konvertermaterialien für LEDs VIS Leuchtstoffe: Ce3+ oder Eu2+ aktivierte Oxide, Nitride sowie Oxynitride

A hlk it i i A d• (Y,Gd,Tb)3Al5O12:Ce• Lu3Al5O12:Ce• Lu3(Ga,Al)5O12:Ce

Auswahlkriterien eines Anwenders• Patentsituation• Preis / Zugang• Chemische Stabilität

• (Lu,Y)3Sc2Al3O12:Ce• (Y,Lu)3(Al,Mg,Si)5O12:Ce• Ca(Y,Lu)2Al4SiO12:CeO th Silik t

• Farbpunktstabilität • Konversionseffizienz (QA)• Thermische Löschung

AbsorptionsspektrumOrtho-Silikate• (Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu• (Ca,Sr,Ba)3SiO5:Eu(O )Nit id

• Absorptionsspektrum• Umweltverträglichkeit• (Recyling)

(Oxy)Nitride• (Sr,Ca,Ba)2Si5N8:Eu „2-5-8“• (Sr,Ca,Ba)Si2N2O2:Eu „1-2-2-2“

(Ca Sr)AlSiN :Eu 1 1 1 3“

Materialmenge pro ww pcLED• ~ 100 µg (In,Ga)N

100 µg Leuchtstoff• (Ca,Sr)AlSiN3:Eu „1-1-1-3“• (Ca,Sr,Ba)SiN2:Eu „1-1-2“• La3Si6N11:Ce „3-6-11“• Ba Si O N :Eu

• ~ 100 µg Leuchtstoff• etwa 90% gelb-grüner

+ 10% roter Leuchtstoff


• Ba3Si6O12N2:Eu• ,ß-SiAlONes:Eu

3. Photochemische AspekteEnergie der chemischen Bindungen 10 … 1000 kJ/mol (~ 0.1 - 10 eV)


CΞCCΞN

C=ONΞN N=O

C=C

H F

O=O

O H H H

H‐Cl

C H

N‐H

Si H

C‐O

C C

C–Cl

Ge H C Br

N‐F

C=ONΞN

10 8 7 6 5 4 3

N=O H‐F O‐H H‐H C‐H Si‐H C‐C Ge‐H C‐Br

Bindungsenergie [eV]

A * K * F* A F* K Cl* K F* Cl* X B * X Cl* I* X F* X M * H I*X *

100 150 200 250 300 350 400

Ar*2 Kr*2 F*2 ArF* KrCl* KrF* Cl*2 XeBr* XeCl* I*2 XeF* XeMg* HgI*Xe*2

450

Wellenlänge [nm]

Spaltung kovalenter Bindungen erfolgt durch UV-BestrahlungS lt W t ffb ü k bi d h d h VIS/NIR


Spaltung von Wasserstoffbrückenbindungen auch durch VIS/NIR

3. Photochemische AspekteUV-B UV-AUV-CVUV


100 nm 200 nm 280 nm 320 nm 400 nm12.5 - 6.9 eV 6.2 - 4.5 eV 4.5 - 3.9 eV 3.9 - 3.1 eV

Spaltung von H O Anregung von C=C Vitamin D Bildung PhotokatalytischeSpaltung von H2O und O2 in Radikale

Ozonbildung

Anregung von C=C BindungenAnregung der Nukleobasen

Vitamin D BildungTranskription von ReparaturenzymenBildung von

Photokatalytische ReaktionenOxidation von Melanin in der HautOzonbildung

Spaltung von C-C, C H C O Bindungen

Nu eobaseSpaltung von O3, ClO2und H2O2

Bildung von Melanosomen in der Haut

e a de autZersetzung organischer PigmenteAktivierung C-H, C-O Bindungen gphotokatalytischerPigmente

Oberflächenreinigung Desinfektion von Luft, Behandlung von Wasser- und Wasserreinigung (Abbau von Pharma-zeutika)

H2O und OberflächenPhotochemie

Hautkrankheiten (Psoriasis, Vitiligo)Bräunung

Luftreinigung via TiO2 PhotokatalyseBräunung


Photochemie Photochemie Photochemie

3. Photochemische AspekteNukleobasen zeigen intensive Absorptionsbanden bei265 nm (A, C, T, G) und bei 240 nm (G)


Aromatische Aminosäuren zeigen Absorptionsbanden bei280 nm (Trp, Tyr), bei 250 nm (Phe) oder bei 210 nm (His)

Einige andere Biomoleküle absorbierenauch im nah UV oder im blauen Spektral-bereich z B Bilirubin Riboflavinbereich, z.B. Bilirubin, Riboflavin, NAD(P)H oder FADH2


3. Photochemische AspekteElectrocyclische Reaktionen


[2+2] Cycloaddition Verursacht DNA Schädigung Inhibition der Zellteilung

1,0 Disinfection efficiency (DIN 5031-10)

n

2s + 2s

OCN

NCO

O HP

0,6

0,8

Absorption spectrum dTMP

ency

/abs

orpt

ion

CCCH3H

PO

NCO H

0,2

0,4

Rel

ativ

e ef

ficie

Nukleotid at 260 nm [lmol-1cm-1]P

CCCN

NC O

CH3HO

OCC

CNNC O

H 200 220 240 260 280 300 320 3400,0

Wavelength [nm]

Nukleotid at 260 nm [lmol 1cm 1]dAMP 15200 dTMP 8400 dGMP 12000

PO

CNNC

O

O H

CCCH3H


dGMP 12000 dCMP 7100

CCCH3H

4. Optische Strahlung in Kosmetik + MedizinKosmetik• Bräunung UV-A + UV-B• Epilation 755 nm


Epilation 755 nm• Faltenreduktion NIR• Hautflecken- und Tattooentfernung 694, 1064 nm

Diagnostikag ost• Endoskopie Vis• Optische Bildgebung NIR• In-vitro und in-vivo Fluoreszenzmarkierung VIS• Photoplethysmographie NIRp y g p

Chirurgie• Laserskalpell 1.06, 10.6 µm• Augenkorrekturen 193, 800 nm

K i tf 2 94 10 6• Kariesentfernung 2.94, 10.6 µm

Phototherapie• Akne-, Ekzem-, Psoriasis-, Vitiligobehandlung• Bilirubinabbau 450 nm• Bilirubinabbau 450 nm• Vitamin D Aufbau 310 nm• Photodynamische Therapie Rot/NIR• Melatoninsuppression 420 nm• Schmerztherapie 453 nm


• Schmerztherapie 453 nm• Rheumabehandlung NIR

4. Optische Strahlung in Kosmetik + MedizinEindringtiefe optischer Strahlung in H2O, HbO2, Haut und Gewebe


„Optisches Fenster“ ca.

(OH)

650 - 1300 nm

Eindringtiefe


gIR-A ~ 5 mm

4. Optische Strahlung in Kosmetik + MedizinKonventionelle Strahlungsquellen


Solare Strahlung > 300 nmHg-Entladungslampen• Niederdruck 185, 254 nm + Leuchtstoff: 300 - 800 nm• Amalgam 185 254 nm• Amalgam 185, 254 nm• Mitteldruck 200 – 400 nmXe/(Hg)-Entladungslampen 230 – 800 nmD2-Entladungslampen 110 – 400 nm2 g pExcimer-Entladungslampen• Xe2* 172 nm + Leuchtstoff: 190 - 800 nm• KrCl* 222 nm• XeBr* 282 nm• XeBr* 282 nm• XeCl* 308 nmExcimer LASER• ArF* 193 nmFestkörperlaser• Al2O3:Cr 694 nm• Al2O3:Ti 800 nm


Al2O3:Ti 800 nm• YAG:Nd 1064 nm

4. Optische Strahlung in Kosmetik + Medizin4. Optische Strahlung in Kosmetik + MedizinLED Strahlungsquellen: Hohe Effizienz + Energiedichte, Spektrale Variab.

1,2(Al Ga In )P LEDs

(Ga In )N LEDs 455 nm LED + CaAlSiN :Eu

0,8

1,0

(Al1-x-yGaxIny)P LEDs

ssio

n in

tens

ity

(Ga1-xInx)N LEDsincreasing x

+ Leuchtstoff0,010

0,012

0,014

455 nm LED Thickness 1 Thickness 2Thi k 3ns

ity [a

.u.]

100 mA3.0 V

455 nm LED + CaAlSiN3:Eu

0,2

0,4

0,6

Nor

mal

ised

em

is

0 002

0,004

0,006

0,008Thickness 3

Thickness 4 Thickness 5 Thickness 6 Thickness 7 Thickness 8

Em

issi

on in

ten

350 400 450 500 550 600 650 7000,0

Wavelength [nm]

LED1

258 nm LED + LaPO4:Ce + YPO4:Ce (Al,Ga)NHalbeiter

400 450 500 550 600 650 700 750 8000,000

0,002

Wavelength [nm]

,

0,6

0,8

LED1 LED2 LED3

ensi

ty [a

.u.]

Halbeiter

+ Leuchtstoff6

7

8

9

Any spectrum between 370 and 900 nm possible0,2

0,4

Em

issi

on in

te1

2

3

4

5

Rel

inte

nsity


200 300 400 500 6000,0

Wavelength [nm]235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290

0

Wavelength (nm)

5. LED Anwendungen in Kosmetik + Medizin5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinBräunungseinrichtungen (Sonnenbänke)

Melanin Oxidation und Neubildung Melanin-Oxidation und NeubildungStandard Option1. Hg-Niederdrucklampen + SrB4O7:Eu UV-A LED (365 nm) + UV-B FL (320 nm)2. Hg-Mitteldrucklampen + Filter

0,8

1,0

25000

30000

,0,4

0,6

ions

inte

nsitä

t

15000

20000

0 0

0,2

Em

issi

0

5000

10000

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Germany Slide 23Any spectrum between 370 and 900 nm possible

280 300 320 340 360 380 4000,0

Wellenlänge [nm]

250260270280290300310320330340350360370380390400

5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinTherapeutische UV-Strahlungsquellen zur Behandlung von• Psoriasis

5. LED Anwendungen in Kosmetik Medizin

Psoriasis • Atopische Dermatitis (Ekzeme)• Seborrhoeische Dermatitis• VitiligoVitiligo

Status: Bestrahlungskammer mit 8 LP Hg TL (GLBB)

Zukunft:Multifunktionale Bestrahlungseinheit für die• Rheumabehandlung IR-A• Rheumabehandlung IR-A• Aknebehandlung 415 + 660 nm• Bräunung 350 nm• Vitamin D Bildung 310 nm• Vitamin D Bildung 310 nm

Durch Kombination mehrerer LED-Typen:310 + 350 + 415 + 660 nm + IR A

UV-Bestrahlungskammer(Waldmann Typ UV100)

Emission bei 311 nm


310 + 350 + 415 + 660 nm + IR-A Emission bei 311 nm(Gd3+ Phosphor)

5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinTherapeutische LED Strahlungsquellen1 310 nm 350 nm oder 415 nm LEDs


YAG:Yb1. 310 nm, 350 nm oder 415 nm LEDs2. Leuchtstoff - Rot: CaAlSiN3:Eu2+, Sr2Si5N8:Eu2+

- IR-A: Cr3+, Nd3+, Yb3+

0 9

1,0

0,6

0,8

1,0

sity

[a.u

.]

0 4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,2

0,4

,

Em

issi

on in

tens

1 0

Gd2O3:Yb350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Wavelength [nm]

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 15000,0

Wavelength [nm]

0,009x = 0 568 y = 0 330Sr2Si5N8:Eu (H300)

460 nm LED + Sr2Si5N8:Eu (H300)

0,6

0,8

1,0

ensi

ty [a

.u.]

Wavelength [nm]

0 004

0,005

0,006

0,007

0,008

x = 0.568, y = 0.330x = 0.635, y = 0.356

Sr2Si5N8:Eu (H300) Sr2Si5N8:Eu (H300)

nten

sity

[a.u

.]

Problem:0,2

0,4

Em

issi

on in

te

400 500 600 700 8000,000

0,001

0,002

0,003

0,004

Em

issi

on in


Problem: Sensibilisierung der NIR-Leuchtstoffe notwendig 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

0,0

Wavelength [nm]

400 500 600 700 800

Wavelength [nm]

5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinBilirubinabbau durch blaues Licht


0 8

1,0

]

Wirkungsspektrum Bilirubin-Abbau

Bilirubin ist ein Häm-Stoffwechselabbau-produkt, das in der Leber zersetzt wird.

0,4

0,6

0,8

effe

ctiv

enes

s [a

.u.]

400 450 500 550 6000,0

0,2

Rel

ativ

e e

482 nm LED

Alternativ kann es durch Licht zum Lumirubin abgebaut werden – Absorptionsspektrum (s.u.)

0,20

Wavelength [nm]

0,30

Emissionsspektrum einer „Bilirubinlampe“ (Philips)

0,10

0,15 tio

n st

reng

th [a

.u.]

0,15

0,20

0,25

nten

sity

[a.u

.]

0,05

Rel

ativ

e ab

sorp

t

0,05

0,10

Emis

sion

in


400 450 500 550 6000,00

Wavelength [nm]400 450 500 550 600

0,00

Wavelength [nm]

5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinBildung von NO-Radikalen (Mechanismen)


1. EnzymvermitteltL-Arginin L-Citrullin + NOKatalysiert durch endotheliale NO-Synthetase (eNOS)

neuronale NO-Synthetase (nNOS)induzierbare NO Synthetase (iNOS)induzierbare NO-Synthetase (iNOS)

2. Bei niedrigem pH-Wert und geringem O2-Partialdruckg p g g 22 NO2

- + 2 H+ 2 NO + H2O2

3 D h h t h i h Z t NO d S Nit V b3. Durch photochemische Zersetzung von NO2- oder S-Nitroso-Verb.

2 NO2- + 2 H2O 2 NO + 2 OH- + H2O2

h


5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinFlache und flexible LED Array Lichtquelle als „Schmerztherapie-Patch“


• Dimmbar• Flexibel• Langlebig

(im Vgl. zu Wärmebeuteln)

Blau emittierende LEDs 450 nm emittierende (In,Ga)N LEDs4x105

Measurement settings1 nm Steps0,04 nm Slit

Emission Spectrum4 3,5 3 2,5 2

Energy [eV]

1.4 mm

2x105

3x105

unts

]20 mm

4 mmPhosphor Ceramic Flexible Polymer Basis

300 350 400 450 500 550 600 650 7000

1x105

Inte

nsity

[co


Wavelength [nm]

5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinNIR emittierende LED mit Cr3+-Leuchtstoffen(Blau NIR Breitband Konverter)

5. LED Anwendungen in Kosmetik Medizin120000

Excitation spectrumEmission spectrum

LaAlO3:Cr3+

Em= 734,0 nmSlit 1 0/1 5(Blau – NIR Breitband Konverter)

Zusammen-setzung

Mineraltyp Emissions-maximum bei [nm]

B Al Si O C S d 68260000

80000

100000Emission spectrum

Slit 1,0/1,5Increment 0,5 nm

y [C

ount

s/s]

Be3Al2Si6O18:Cr Smaragd 682MgAl2O4:Cr Spinell 682Y3Al5O12:Cr (YAG:Cr)

Granat 688

GdM Al O C M t l bit 693 0

20000

40000

Inte

nsity

GdMgAl11O19:Cr Magnetoplumbit 693Al2O3:Cr Korund (Rubin) 694MgO:Cr,Li Kochsalz 698Lu3Al5O12:Cr (L AG C )

Granat 7041 0

Emission spectrum (Exc. @ 560 nm) Excitation spectrum (Emission monitored @ 726 nm)

Gd3Ga5O12:Cr3+

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 10000

Wavelength [nm]

(LuAG:Cr)LiAl5O8:Cr - 716GdAlO3:Cr Perowskit 726Y3Ga5O12:Cr (YGG C )

Granat 730 0,6

0,8

1,0

nsity

[a.u

.]

(YGG:Cr)LaAlO3:Cr Perowskit 734Gd3Ga5O12:Cr (GGG:Cr)

Garnet 745

B Al O C Ch b ll 7500,2

0,4

norm

alis

ed In

ten


BeAl2O4:Cr Chrysoberyll 750Mg2SiO4:Cr,Li Forsterit 890 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

0,0

Wavelength [nm]

5. LED Anwendungen in Kosmetik + MedizinNIR emittierende LED mit Nd3+-Leuchtstoffe(Blau NIR Linien Konverter )


(Blau – NIR Linien Konverter )

Leuchtstoff Emissionsmax. bei [nm]Y3Al5O12:Nd 1064Lu3Al5O12:Nd 1064 YPO :Nd 1061

YPO4:Nd 1061 LaPO4:Nd 1058 La2(Ti1-xZrx)2O7:Nd 880 + 1060 0,8

1,04f4f

4f4f

Emission spectrum 160 nm excitation Emission spectrum 351 nm excitation Emission spectrum 160 nm excitation

y [a

.u.]

2( 1 x x)2 7Gd2O3:Nd 890 + 1060

I ffi i t K i d h0,4

0,64f4f

4f4f4f4f

ssio

n in

tens

ityIneffiziente Konversion durchunzureichende Absorption derLED Strahlung... 200 400 600 800 1000 1200 1400

0,0

0,24f4f4f5d

Em

is


LED Strahlung...Wavelength [nm]


[Xe]4f05d1

ergi

e5. LED Anwendungen in Kosmetik Medizin

Ene Ce3+ sensibilisierte Nd3+-Emission in Granaten (QE > 45%)

100 (Y0,97Ce0,02Nd0,01)3Al5O12: Reflexion, Anregung, Emission

gegen BaSO4

1.04F3/2

60

80

nsitä

t

ion

(%)

gegen BaSO4

em = 886 nmexc = 450 nm

0 6

0.8

40

60

rmie

rte

Inte

fu

se R

efle

x

0.4

0.6

4I15/2

4I13/2

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000

20 NorDiff

0.0

0.2

C 3+

4I9/2

4I11/2

2F5/2

2F7/2

Nd3+


300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Wellenlänge (nm)Ce3+

[Xe]4f15d0Nd3+

[Xe]4f3


[Xe]4f65d1

8HJ

5. LED Anwendungen in Kosmetik Mediziner

gie

(Sr Eu Nd ) Si N

J

Eu2+ sensibilisierte Nd3+-Emission in 2-5-8-Nitriden (QE > 50%)

Ene

0.8

0.9

1.0

2/94

2/34 IF

)

(Sr0,96Eu0,02Nd0,02)2Si5N8

em= 905 nm

exc

= 450 nm

gegen BaSO4 80

90

100

4F3/2

0.6

0.7

0.8

2/114

2/34 IF

ensi

tät (

a.u.

)

exio

n (%

)

4

60

70

803/2

0.3

0.4

0.5

orm

iert

e In

te

Diff

use

Ref

le

30

40

50

4I15/2

4I13/2

0.0

0.1

0.2

07

16

54][54][

dfXedfXe

No D

2/134

2/34 IF

0

10

20

24I9/2

4I11/2

I13/2

8S5/2


300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Wellenlänge (nm)Eu2+

[Xe]4f75d0Nd3+

[Xe]4f3


Photodynamische Therapie


• Anwendung eines photosensitiven Wirkstoffes im betroffenen Bereich (Haut)

• Anschließende Bestrahlung• Lichtquellen

(50 mW/cm2, 600 – 800 nm) – Laser– (Al,In,Ga)P LEDs– Blaue (In,Ga)N LEDs + Konverter

Anwendungsgebiete• Hautkrebsbehandlung: SCC, BCC, Melanoma• Blutkrebsbehandlung: Leukämie

Porphyrin-Sensibilisator

g• Behandlung der rheumatischen Arthritis• Biostimulation: Wundheilung• Kosmetik: Hautfleckenentfernung,


g,Hautstraffung (Kollagenaufbau)

6. Zusammenfassung und Ausblick6. Zusammenfassung und AusblickAnorganische LEDs - Status 2013

Hersteller: CREE, Epistar, GE, GLI, Nichia, Osram Opto, Panasonic, Philips Lumileds, Seoul Semiconductors, Soraa, Toyoda Gosei, etc., y ,

Effizienz: Kalt-weiß: > 250 lm/WWarm-weiß > 100 lm/W

Spektren: UV C NIRSpektren: UV-C .... NIRLebensdauer: > 10000 h

Vorteile anorganischer LEDs gegenüberGlüh- und Halogenlampen FluoreszenzlampenHöhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/DimmbarkeitHöhere Effizienz Bessere FarbwiedergabeGrößere Robustheit Größere Robustheit


Größere Robustheit Größere RobustheitGrößere spektrale Flexibilität Größere spektrale Flexibilität

6. Zusammenfassung und AusblickAnorganische LEDs - Status 2013

6. Zusammenfassung und Ausblick

• VIS LEDs mit nahezu beliebigen Spektrum verfügbar Neue Therapieformen realisierbar z.B. LED Krankenbett

• UV-A/B/C (Al,Ga)N LEDs (210 – 360 nm) zeigen rasante EntwicklungNov 2012: 265 nm LED mit 70% IQE @ 25 mWNov. 2012: 265 nm LED mit 70% IQE @ 25 mWJan. 2013: UN (Genf) empfiehlt Hg-Verbot ab 2020!

• NIR LEDs mit breitbandigem NIR-Spektrum auf Basis blauer LEDs mit Leuchtstoffen realisierbar

• LED Leuchten mit UV, VIS und NIR Emission realisierbar via- LED Kombinationen

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Germany Slide 35Friday Afternoon

- Plattform LED + Leuchtstoffe

DanksagungDanksagung

Stephanie MöllerDavid Enselinga d se g

+ AG “Tailored Optical Materials”

Vielen Dank Ihre Aufmerksamkeit!Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Germany Slide 36Friday Afternoon

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